Se você tem uma preocupação profunda e incômoda em deixar seu telefone cair na lava derretida, você está com sorte. Uma equipe de pesquisa liderada por cientistas de materiais da Duke University desenvolveu um método para descobrir rapidamente uma nova classe de materiais com tolerâncias térmicas e eletrônicas tão robustas que poderiam permitir que dispositivos funcionassem em temperaturas semelhantes às da lava, acima de vários milhares de graus Fahrenheit.



Mais duros que o aço e estáveis ​​em ambientes quimicamente corrosivos, esses materiais também poderiam formar a base de novos revestimentos resistentes ao desgaste e à corrosão, termoelétricas, baterias, catalisadores e dispositivos resistentes à radiação.

As receitas para esses materiais - cerâmicas feitas com carbonitretos ou boretos de metais de transição - foram descobertas por meio de um novo método computacional denominado Descritor de Entalpia-Entropia Desordenada (DEED). Em sua primeira demonstração, o programa previu a sintetizabilidade de 900 novas formulações de materiais de alto desempenho, 17 das quais foram testadas e produzidas com sucesso em laboratórios.

Os resultados aparecem na revista Nature e inclui contribuições de colaboradores da Penn State University, da Missouri University of Science and Technology, da North Carolina State University e da State University of New York em Buffalo.

"A capacidade de descobrir rapidamente composições sintetizáveis ​​​​permitirá que os pesquisadores se concentrem na otimização de suas propriedades revolucionárias na indústria", disse Stefano Curtarolo, ilustre professor de engenharia mecânica e ciência de materiais da Edmund T. Pratt Jr.

O grupo Curtarolo mantém o Duke Automatic-FLOW for Materials Database (AFLOW) - um enorme reservatório de dados de propriedades de materiais conectado a muitas ferramentas online para otimização de materiais. Essa riqueza de informações permite que algoritmos prevejam com precisão as propriedades de misturas inexploradas sem ter que tentar simular as complexidades da dinâmica atômica ou fazê-las em laboratório.

Nos últimos anos, o grupo Curtarolo tem trabalhado para desenvolver poderes preditivos para materiais de "alta entropia" que derivam maior estabilidade de uma mistura caótica de átomos, em vez de depender apenas da estrutura atômica ordenada dos materiais convencionais. Em 2018, eles descobriram carbonetos de alta entropia, que eram um cenário mais simples e especial.

"Todos os carbonetos de alta entropia tinham uma quantidade relativamente uniforme de entalpia, então poderíamos ignorar parte da equação", disse Curtarolo. "Mas para prever novas receitas de cerâmica com outros metais de transição, tivemos que abordar a entalpia."

Para entender melhor os conceitos de entropia e entalpia nesta aplicação, pense em uma criança de 10 anos tentando construir uma casinha de cachorro com uma pilha gigante de Legos. Mesmo com tipos limitados de blocos de construção, haveria muitos resultados de design possíveis.

Em termos simples, a entalpia é uma medida de quão resistente é cada projeto, e a entropia é uma medida do número de projetos possíveis que têm resistência semelhante. A primeira promove configurações ordenadas, como aquelas que podem ser encontradas em livrinhos de instruções. Este último captura o caos inevitável que ocorreria à medida que a criança dedicasse mais tempo e energia ao esforço de construção cada vez mais confuso. Ambos são uma medida da quantidade de energia e calor que acabam sendo absorvidos pelo produto final.

"Para quantificar rapidamente a entalpia e a entropia, tivemos que calcular a energia contida nas centenas de milhares de combinações de ingredientes que poderíamos criar em vez da cerâmica que procuramos", disse Curtarolo. "Foi um empreendimento gigantesco."

Além de prever novas receitas para cerâmicas desordenadas estáveis, o DEED também ajuda a direcionar suas análises adicionais para descobrir suas propriedades inerentes. Para encontrar a cerâmica ideal para diversas aplicações, os pesquisadores precisarão refinar esses cálculos e testá-los fisicamente em laboratórios.

O DEED é especificamente adaptado a um método de produção denominado sinterização por prensagem a quente. Isso envolve tomar formas em pó dos compostos constituintes e aquecê-los no vácuo a até 4.000 graus Fahrenheit, aplicando pressão por períodos que podem durar até algumas horas. Entre todos os tempos de preparação, reação e resfriamento, todo o processo leva mais de oito horas.

"A etapa final da síntese, chamada sinterização por plasma de faísca, é um método emergente na ciência dos materiais que é comum em laboratórios de pesquisa", disse William Fahrenholtz, ilustre professor de engenharia cerâmica dos curadores na Missouri S&T.

A cerâmica acabada tem aparência metálica e aspecto cinza escuro ou preto. Eles parecem ligas metálicas, como o aço inoxidável, e têm densidade semelhante, mas têm aparência muito mais escura. E mesmo que pareçam metálicos, são duros e quebradiços como a cerâmica convencional.

No futuro, o grupo espera que outros pesquisadores comecem a usar o DEED para sintetizar e testar as propriedades de novos materiais cerâmicos para diversas aplicações. Dada a incrível variedade de propriedades e usos potenciais, eles acreditam que é apenas uma questão de tempo até que alguns deles entrem em produção comercial.

"A sinterização por plasma spark ou tecnologia de sinterização assistida em campo (FAST) ainda não é uma técnica comum na indústria", acrescentou Doug Wolfe, professor de ciência e engenharia de materiais e vice-presidente associado de pesquisa na Penn State. “No entanto, os atuais fabricantes de cerâmica poderiam se concentrar na fabricação desses materiais fazendo pequenos ajustes nos processos e instalações existentes”.

Mais informações: Stefano Curtarolo, descritor de entalpia-entropia desordenada para descoberta de cerâmica de alta entropia, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06786-y. www.nature.com/articles/s41586-023-06786-y
Informações do diário: Natureza

Fornecido pela Duke University